智能交通系統(tǒng)概論 課件 第9章 城市交通子區(qū)控制系統(tǒng)

智能交通系統(tǒng)概論第9章

無人駕駛車輛跟馳控制系統(tǒng)1.引言2.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3.跟馳控制系統(tǒng)建模4.速度反饋控制策略5.比例微分控制策略6.混合補(bǔ)償控制策略7.串聯(lián)補(bǔ)償控制策略8.挑戰(zhàn)與展望第1節(jié)

引言

單個(gè)車輛在交通系統(tǒng)中不是孤立的，它在運(yùn)行期間必然與其周圍事物，比如其它車輛、道路、信號燈、交通設(shè)施等發(fā)生交互作用，這種交互產(chǎn)生的作用力有規(guī)律地施加于運(yùn)動車輛，就是一種控制作用。在同一條車道上運(yùn)行的車輛之間產(chǎn)生交互作用，就會形成跟馳控制系統(tǒng)，它是由至少兩輛車組成的微觀交通流運(yùn)行系統(tǒng)，跟隨車與前導(dǎo)車之間的車頭距是關(guān)鍵的控制參數(shù)，系統(tǒng)通過反饋控制作用使車頭距保持在安全距離上，從而確保交通流安全高效運(yùn)行。第2節(jié)

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

車輛跟馳理論最初是由Pipes提出來的，他用一個(gè)加速度方程來描述道路上一輛車跟隨另一輛車的運(yùn)動行為，只包含一個(gè)微分方程，從力學(xué)觀點(diǎn)講，它是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)系動力學(xué)系統(tǒng)。它假設(shè)車隊(duì)中的每輛車須與前車保持一定的距離以免碰撞，后車加速和減速都取決于前車，建立前車與后車的相互關(guān)系，這樣，每輛車的運(yùn)動通過一個(gè)微分方程來描述，通過求解方程可以確定車流的演化過程。車輛跟馳模型的快速發(fā)展開始于1995年Bando教授提出的最優(yōu)速度模型，該模型避免了經(jīng)典模型中加速度是由前后兩車的速度差確定帶來的問題，提出車輛跟隨過程中的加速度是由最優(yōu)速度和當(dāng)前車的速度差來確定，且最優(yōu)速度是兩車之間車頭距的函數(shù)。第2節(jié)

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在最優(yōu)速度模型模型之后，模型不斷改進(jìn)，先后提出廣義力模型，全速度差模型，廣義最優(yōu)速度模型，全廣義最優(yōu)速度模型，混合最優(yōu)速度模型等。跟馳系統(tǒng)控制理論是由山東大學(xué)朱文興教授團(tuán)隊(duì)率先提出，他將經(jīng)典控制理論方法、現(xiàn)代控制理論方法以及離散控制理論方法先后應(yīng)用到交通流建模與穩(wěn)定性分析中，發(fā)表了一系列的科研論文，最終形成了一套交通流跟馳控制理論體系。第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模

1.控制模型第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模

忽略泰勒展開式中二階及二階以上的項(xiàng)，可以得到

將上式帶入最優(yōu)速度模型中，可以得到

第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模

將上式進(jìn)行拉普拉斯變換，可以得到

第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模

根據(jù)單位反饋控制系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下，

第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模2.穩(wěn)定性分析

第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模

從上式可以得到，

綜上所述，得到交通流系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件，

第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模3.時(shí)域和頻域分析

第4節(jié)

速度反饋控制策略

1.速度反饋模型

第4節(jié)

速度反饋控制策略

2.穩(wěn)定性分析

第4節(jié)

速度反饋控制策略

從上式可以得到，

綜上所述，得到系統(tǒng)穩(wěn)定性條件，

第4節(jié)

速度反饋控制策略

3.時(shí)域和頻域分析

第4節(jié)

速度反饋控制策略

第4節(jié)

速度反饋控制策略

4.仿真分析

第4節(jié)

速度反饋控制策略

仿真結(jié)果上圖所示，其中左圖表示在19000秒時(shí)車頭時(shí)距密度波的時(shí)空變換情況，右圖表示在19000秒時(shí)速度密度波的時(shí)空變換情況。從圖中可以看出，隨著反饋系數(shù)的不斷增大，密度波的振幅不斷減小，說明交通流越穩(wěn)定。仿真結(jié)果與穩(wěn)定性分析結(jié)果一致。第5節(jié)

比例微分控制策略1.比例微分模型

第5節(jié)

比例微分控制策略2.穩(wěn)定性分析

第5節(jié)

比例微分控制策略

從上式可以得到，

綜上所述，得到系統(tǒng)穩(wěn)定性條件，

第5節(jié)

比例微分控制策略3.時(shí)域和頻域分析

第5節(jié)

比例微分控制策略

第5節(jié)

比例微分控制策略4.仿真分析

第5節(jié)

比例微分控制策略

仿真結(jié)果上圖所示，左圖表示在19000秒時(shí)車頭時(shí)距密度波的時(shí)空變換情況，右圖表示在19000秒時(shí)速度密度波的時(shí)空變換情況，從圖中可以看出，隨著比例微分系數(shù)的不斷增大，密度波的振幅不斷減小，說明交通流越穩(wěn)定，仿真結(jié)果與穩(wěn)定性分析結(jié)果一致。第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略1.混合補(bǔ)償模型

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略2.穩(wěn)定性分析

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略

從上式可以得到，

綜上所述，得到系統(tǒng)穩(wěn)定性條件，

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略

3.時(shí)域和頻域分析

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略4.仿真分析

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略仿真一

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略仿真1.1

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略仿真1.2

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略仿真1.3

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略仿真二

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略仿真2.1

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略仿真2.2

第6節(jié)

混合補(bǔ)償控制策略仿真2.3

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略1.串聯(lián)校正設(shè)計(jì)

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略2.時(shí)域和頻域分析頻域分析

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略時(shí)域分析

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略3.周期邊界條件仿真分析

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略4.開放邊界條件仿真分析

第7節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償控制策略

第8節(jié)

挑戰(zhàn)與展望

現(xiàn)今，汽車保有量日益增長導(dǎo)致城市不堪重負(fù)，交通擁堵頻發(fā)，人們出行效率明顯降低，車輛能源燃料消耗及尾氣排放量明顯增加，不僅影響了居民的生活質(zhì)量，而且對環(huán)境造成了巨大的污染和破壞。近年來，自動駕駛技術(shù)逐漸成熟，眾所周知，自動駕駛汽車能夠自動感知周圍環(huán)境，無需人工干預(yù)或只需要部分干預(yù)實(shí)現(xiàn)自主駕駛。研究表明，如果在先進(jìn)自動駕駛技術(shù)支撐下，車輛以相同的速度和預(yù)先設(shè)定好的車輛安全間距自主行成隊(duì)列行駛，能夠顯著提升交通安全和運(yùn)行效率，緩解交通擁堵，減少能源消耗和尾氣排放等，進(jìn)而大大提升交通安全和出行效率，改善生活環(huán)境。因此，在實(shí)際的交通系統(tǒng)中，自動駕駛汽車的跟馳控制系統(tǒng)將成為智能交通系統(tǒng)的熱點(diǎn)之一。第8節(jié)

挑戰(zhàn)與展望

然而，自動駕駛汽車跟馳控制系統(tǒng)的發(fā)展也有許多挑戰(zhàn)，例如領(lǐng)頭車運(yùn)動狀態(tài)對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，隊(duì)列系統(tǒng)在外部和內(nèi)部干擾影響下的運(yùn)行問題，車載通信的延遲和丟包問題等，這需要科研人員和工程師開發(fā)更加先進(jìn)的控制器和執(zhí)行器等，提升系統(tǒng)運(yùn)行的魯棒性，使跟馳控制系統(tǒng)能早日大規(guī)模落地，真正為提升人們生活質(zhì)量發(fā)揮作用。本章總結(jié)1.對跟馳控制模型進(jìn)行了全面的數(shù)學(xué)分析，運(yùn)用泰勒方程對其進(jìn)行處理，將跟馳模型改寫成標(biāo)準(zhǔn)二階微分方程的形式，進(jìn)一步運(yùn)用拉普拉斯變換的方式，得到了跟馳系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并得到其基本